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    改性材料廠玻璃纖維改性木塑復合材料的研究現狀

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    改性材料廠玻璃纖維改性木塑復合材料的研究現狀

    發布日期:2016-02-27 17:26 來源:http://www.mon43.com 點擊:

    改性材料廠玻璃纖維改性木塑復合材料的研究現狀


    改性材料廠木塑復合材料(Wood Plastic Composites,WPC)是以木纖維或植物纖維作為基體材料,以熱塑性塑料作為結合相,通過適當的工藝技術復合而成的一種新型材料。其原料具有來源廣泛、可循環利用、經濟環保等特點。WPC的研究和應用不僅體現了循環經濟和資源綜合利用的理念,具有良好的環保效益,符合國家循環經濟政策,同時積極響應了我國生態文明建設的號召。該材料可廣泛應用于建材、園林、裝修以及家具等領域,為其快速發展提供了巨大的市場空間。


    隨著WPC研究和應用的深入,對其性能和功能化提出了更高的要求,這也是目前WPC的研究熱點。玻璃纖維是一種應用廣泛,具有機械強度高、剛度大等優點的無機非金屬材料,用它做增強劑已經成為復合材料工業的主體。選擇玻璃纖維作為WPC的改性填料就是希望能利用其優良特性彌補WPC在應用過程中易于出現的缺陷,卻不影響復合材料本身的優點,同時能降低復合材料的成本。本文綜述了玻璃纖維對WPC力學性能、熱學性能、老化性能、加工性能的影響,提出了玻璃纖維改性WPC在研究和應用方面需要進一步探討的問題。




    1. 玻璃纖維對WPC力學性能的影響及其增強機理


    材料的力學性能是指抵抗外力破壞的能力表征。它可以從宏觀上評價復合材料的綜合性能和工藝方法,并能側面反映材料的界面結合情況。目前,在WPC的研究中,研究者主要通過研究玻璃纖維的不同形態或添加量對木塑復合材料拉伸強度、彎曲強度、拉伸模量、彎曲模量、沖擊強度等力學性能的影響,從而確定最優的纖維形態或最佳的纖維添加量。


    1.1玻璃纖維形態對WPC力學性能的影響


    按形態特征,玻璃纖維可分為連續纖維、定長纖維和玻璃棉,其中定長纖維又包括長、短切玻璃纖維和磨碎玻璃纖維。它對改性WPC力學性能主要起到承受并轉移負荷和能量的作用,而其長度、直徑或長徑比對力學性能有明顯的影響。


    研究表明,隨著玻璃纖維的增加,短切玻璃纖維對復合體系的增強作用明顯比粉末玻璃纖維強,其中沖擊和彎曲強度的增強效果比較明顯,拉伸強度結果相似,斷裂伸長率短切纖維比粉末有所降低;在WPC中加入300目磨碎玻璃纖維后,其拉伸和彎曲強度持續下降,沖擊強度則持續上升。崔益華等研究了長度分別為5mm、2mm,直徑均為14μm的無堿短切玻璃纖維,兩種長徑比(L/D)分別為357(L型)、143(S型)的玻璃纖維對WPC力學性能的影響;當采用L型玻璃纖維增強時,木塑復合材料的彎曲強度、彎曲模量以及沖擊強度同時得到提高,采用S型玻璃纖維增強時,彎曲性能和沖擊強度均呈現下降趨勢。


    但連續玻璃纖維在木塑復合材料中的應用及生產并不太容易。在再生型WPC界面相容性的研究中為了進一步改善WPC的綜合性能,添加了連續玻璃纖維,該研究采用了二次混煉造粒法,玻璃纖維在此研究中仍是以短切纖維形式存在。國外學者Zolfaghari A等通過專門設計的擠出設備將浸漬過高密度聚乙烯(HDPE)的無堿連續玻璃纖維嵌入到一個圓筒形木塑型材中。結果表明,連續纖維對所有測得的機械性能有顯著改善,分別對彎曲、拉伸、沖擊強度增加可達2.3、5.9和20倍。


    短切玻璃纖維作為WPC的增強材料能明顯提高材料的力學性能,雖然效果不如連續纖維整體嵌入WPC中好,但在工業生產中可操作性更強。目前,在玻璃纖維改性WPC的研究中,只是通過部分不同形態玻璃纖維對WPC影響或纖維增強復合材料的臨界長度來確定玻璃纖維的長度或長徑比,并沒有確切的依據。另外,不同長度的玻璃纖維對WPC影響的研究仍未見報道。


    1.2玻璃纖維的添加量對WPC力學性能的影響


    玻璃纖維作為一種增強填料加入WPC中,通常與其他兩種原料存在最佳的配比關系,能在復合材料中達到一定程度的交疊,從而起到傳遞和承受應力作用,使材料的綜合性能達到最好。據相關研究,隨著玻璃纖維含量的增加,材料的力學性能都有不同程度的增加。由于WPC的原料配方不同,對其力學性能的影響程度不一,總的來說,玻璃纖維含量在5%~15%時對材料的力學性能影響最大。


    特別提出的是,在WPC的應用研究中,通過回收材料或微發泡等方式可以實現生態環保性或降低生產成本,但也因此會導致WPC的力學性能下降。研究發現,隨玻璃纖維含量的增加,再生型木塑復合材料的力學性能改善作用明顯,微發泡WPC的拉伸、彎曲和沖擊性能都隨之提高;但是,當玻璃纖維含量超過15%后,較低的發泡倍率就成了強度提高的另一因素,但同時發泡倍率的明顯降低致使密度增加從而提高了成本。


    國外學者除了研究玻璃纖維形態或添加量對WPC力學性能的影響,還做了一些非常有意義的研究。如Tungjitpornkull S等研究了玻璃纖維取向角對WPC力學性能的影響。其中GF/WPVC復合材料的拉伸和沖擊性能比彎曲性能更受纖維取向角的影響;當GF/WPVC復合材料的纖維取向角為0°時得到最大的機械性能,原因在于纖維長度的連續性能承受施加載荷和最小纖維末端的缺陷。Valente M等研究了回收玻璃纖維和原生玻璃纖維對WPC機械性能的影響,表明原生和再生玻璃纖維的存在特別是在較高溫度下能進一步提高WPC的硬度,并對其螺紋強度有積極影響,所觀察到未經利用的玻璃纖維性能比回收的稍好一點,但是兩者所產生的效果相似,無明顯差異。除了性能改性研究,Naghipour M等通過理論建模和試驗兩種方式評價了抗彎初始剛度,結果表明,GFRP的抗彎能力增加高達76.6%;兩種評價方式平均誤差為4%。WPC的主要原料除了熱塑性塑料,也包括熱固性塑料,Ashrafi M等通過添加10mm無堿玻璃纖維到非洲黑木粉、熱固性酚醛樹脂復合材料中,其彎曲強度和彎曲模量均有所下降,研究者將其歸結于無堿玻璃纖維分布在復合材料的寬度方向以及摻入的纖維與WPC的基體之間的黏合性差。


    玻璃纖維作為一種無機填料加入WPC,能起到改性的作用不僅與本身的性能有關,更重要的是能與WPC的主要原料有良好的界面結合能力。在玻璃纖維改性WPC的研究中主要存在兩種界面結合方式。其一是玻璃纖維、木質纖維和塑料三者的協同作用,形成了特殊的三維網狀結構;在拉伸和彎曲載荷的作用下,當高分子鏈段試圖發生相對移動時,鏈段間的玻璃纖維增加了與其他分子鏈段之間的關聯性,阻礙了分子鏈的移動,表現為拉伸強度的提高;玻璃纖維的含量越大,對分子相對運動的阻礙越強,試樣的斷裂伸長率越小,使得材料的脆性和強度提高。其二主要是利用硅烷偶聯劑或馬來酸酐兩種界面相容劑改性原料,但研究結果不一。Rizvi G M等指出馬來酸酐能是唯一一種能促進木纖維、玻璃纖維兩種材料與塑料黏合的相容劑。部分實驗觀察到馬來酸酐接枝聚丙烯(MAPP)沒有完全作用于玻璃纖維表面,玻璃纖維與WPC基體之間的界面結合仍十分薄弱,光滑的纖維表面清晰可見,很少觀察到纖維表面黏附樹脂的情況;材料的破壞形式主要是玻璃纖維拔出,另外還有斷裂、界面脫粘等。但Thwe M M等通過掃描電鏡觀察到馬來酸酐加入WPC后沖擊斷面上的玻纖粘有很多聚合物,表面由光滑變得粗糙,沒有出現玻纖從斷面中拔出的情況,而且界面變得模糊,粘上了很多聚合物,說明馬來酸酐可以有效提高玻纖和PP基體間的界面相容性;這主要在于馬來酸酐可以將木質纖維表面的—OH基團、玻璃纖維的—Si—O—基牢固的結合起來。而利用相容劑改性WPC的界面結合,不僅與相容劑的接枝速率、接枝比例、接枝頻率有關,同時受材料的形態特征、酸堿關系、表面能以及界面間的潤濕性的影響。




    2. 玻璃纖維對WPC熱學性能的影響


    WPC在一定溫度環境下使用,表現出不同的熱物理性能,這些性能稱為材料的熱學性能,主要包括熱容、熱膨脹、熱傳導、熱穩定性等,是評價材料使用壽命及適用場所的重要因素之一,能對選材、用材、改善材料熱學性能、研究新材料和新工藝等提供理論依據。


    將耐熱性能好、穩定性能高的玻璃纖維加入WPC中理論上能有效改善復合材料熱學性能。其中,Huang R等通過添加表面浸漬過硅烷溶液、直徑為0.014mm,長度為4mm的玻璃纖維,探討不同含量的玻璃纖維對兩個不同核心的WPC共擠殼層熱膨脹性能的影響,結果表明隨著玻璃纖維含量的增加,高密度聚乙烯比回收低密度聚乙烯復合材料的模量增加更多,同時隨著玻璃纖維含量從0(S1)變化至40%(S5),其線性膨脹系數(LCTE)值從14×10-5/℃降低至2×10-5/℃,表明玻璃纖維對塑料基體的熱膨脹有較大的制約影響。線性膨脹系數能非常直觀的揭示材料的熱學尺寸穩定性好壞,但目前采用玻璃纖維改善材料尺寸穩定性的研究相對較少。


    國內外學者在研究玻璃纖維對WPC耐熱性的影響中多數采用差示掃描量熱儀和熱重分析法,分析了WPC的結晶、熔融行為、熱穩定性及其機理。有研究表明,WPC的結晶度會隨著玻璃纖維的增加而提高。纖維和馬來酸酐的引進中斷了PP基體的線性結晶序列,從而限制PP分子鏈的運動,導致其結晶程度降低,而兩種纖維的摻入使WPC的結晶度都增加,這表明晶核的形成位點在纖維中存在,加上馬來酸酐本身結晶能力較強,促進了聚合物的異相成核,致使材料的結晶峰溫度有所提高;同時,玻璃纖維作為WPC的結晶成核劑能使結晶度的百分比增加。


    另外,經相關研究表明,玻璃纖維的加入能顯著提高WPC的熱穩定性。實驗中添加了玻璃纖維、SiO2晶須和CaCO3晶須的WPC觀察到兩個分解階段,分別在263~364℃和364~466℃。在263~364℃階段,混雜復合材料的峰值分解溫度從純PP的320℃明顯增加到348℃以上,這也比未添加針狀纖維的WPC的峰值分解溫度333℃高。表明玻璃纖維能增強材料的熱穩定性,可能在于玻璃纖維本身分解溫度高以及通過馬來酸酐形成更好的界面黏合,阻礙了PP與木纖維的分解;添加了玻璃纖維的WPC在400℃左右出現小駝峰,超過此溫度同時在實驗溫度范圍其重量損失達到恒定。


    3. 玻璃纖維對WPC老化性能的影響


    WPC在使用過程中,通常需長時間暴露在自然條件下,而其主要由木質材料和塑料組成,這兩者均易受到外界環境的氣候、生物等影響,從而影響材料壽命。因此,評價WPC的耐老化性能是研究WPC至關重要的一項內容。


    目前在國內外的研究中,添加玻璃纖維改善WPC老化性能的研究并不多,并且研究的均是通過玻璃纖維和木質纖維增強聚合物,并且聚合物所占比例非常大。如Thwe M M等[23-24]將兩種添加了玻璃纖維的竹塑復合材料試件分別在25℃水中浸泡1600h和75℃水中浸泡600h后測試拉伸和彎曲性能,并觀察老化前后試樣的微觀形態并闡釋其機理。結果表明,在兩種濕熱環境中材料的拉伸和彎曲性能均有所下降,而添加玻璃纖維的復合材料老化后的拉伸、彎曲強度和剛度比未添加的減小的少;材料的強度降低可能反映出加載過程中纖維和基質之間的黏附情況,由于纖維在基體中集聚,促進了微裂紋形成接口以及非均勻應力轉移;同時,竹纖維的高親水性可能影響復合材料的機械強度,主要在于纖維表面的水作為纖維/基體界面間的分離劑。研究者也談到添加耐久性更好的玻璃纖維與天然纖維混雜增強塑料是改善材料老化性能的有效方式。


    4. 玻璃纖維對WPC加工性能的影響


    WPC生產和加工的工藝技術多數系借鑒于塑料復合材料的加工,主要包括配料、成型、裝配、機械加工等。玻璃纖維雖然性能優越,能良好的提高材料性能,但因其生產方式和特性對WPC的加工造成了一定的影響。玻璃纖維的單絲直徑為幾個微米到二十幾個微米,每束纖維原絲都由數百根甚至上千根單絲組成,導致玻璃纖維作為增強材料添加到WPC中,在不同生產成型方式中,都需要一定的工序,例如混合、攪拌、剪切作用等,才能使玻璃纖維均勻分布在木塑基體中。


    WPC的成型是加工的關鍵環節,而加工流動性是影響材料質量的關鍵因素。玻璃纖維作為一種剛性填料,將其加入到WPC中,阻礙了聚合物分子鏈的運動,使得復合材料的黏度增加[15,27]。添加不同含量的玻璃纖維到基體HDPE中后,隨著玻璃纖維含量的增加,熔融指數(MFI)呈下降趨勢;當玻璃纖維含量為8%時,MFI達到最小值為1.5g/10min,比不添加玻璃纖維的同種材料下降了約28.6%,說明在已增強的木塑復合材料中加入玻璃纖維后,其流動性能明顯變差,加工性能下降。這主要在于玻璃纖維在HDPE的熔融溫度下是無法熔融的,在整個混煉過程中保持固體狀,只能被基體HDPE包覆后一起流動,這影響了基體HDPE的流動性,隨著玻璃纖維的增多,更加劇了這種現象。同時,玻璃纖維的高重量和顆粒尺寸也將影響熔體流動指數值,從而影響WPC的加工性能。


    5. 展望


    WPC發展到今天,為了降低其生產成本和增強代木的優勢,提高市場占有率,給人造板市場帶來更多的活力,開發高木粉填充量、高性能以及功能型的WPC產品將是未來企業和市場的主導趨勢。功能設計性強是WPC的優點,也是改善其性能的突破口,因此選擇合適的填料既能賦予其高性能或者特殊功能,又能滿足生產和加工的工業化要求,將是WPC改性研究的主要內容和發展趨勢。長徑比恰當、含量適宜的玻璃纖維能顯著提高WPC的韌性、耐熱性、耐老化、尺寸穩定性等性能,卻只是稍微增加了生產和加工的難度,顯然這是一種非常適用于WPC的優良改性填料。


    目前國內外只是在璃玻纖維改性WPC的常溫力學強度和增強機理方面研究較多,但在其蠕變、應力松弛和動態黏彈性方面報道很少,尚需開展深入和系統的研究。


    WPC老化性能的影響因子復雜,除了濕熱老化外,還包括紫外光、生物降解,尤其是在高含量木質材料的研究中更應該重視,因此綜合研究玻纖改性WPC的老化性能和熱性能從而深入分析失效機理,將對其實際應用具有更好的指導作用。


    改性材料廠添加玻璃纖維后的WPC在阻燃性能方面的研究幾乎空白,WPC作為建筑內裝飾材料使用時必須符合國家相關標準和法律法規。尤其在木質材料含量高時的防火性能。因此,在玻璃纖維以及阻燃劑的共同作用下木塑復合材料的阻燃性和綜合性能的研究也是未來的熱點之一。

    (來源:玻纖情報網)


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